第六章固态磁敏传感器课堂使用

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1、第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 本章主要内容本章主要内容6.16.1霍尔式传感器霍尔式传感器 6.1.1 6.1.1 霍尔效应霍尔效应6.1.2 6.1.2 霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理6.1.3 6.1.3 霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性6.1.4 6.1.4 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿6.1.5 6.1.5 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用6.2 6.2 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 6.2.1 6.2.1 磁敏二极管磁敏二极管（1 1）磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构（2 2）磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理（3 3）

2、磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征6.2.2 6.2.2 磁敏三极管磁敏三极管（1 1）磁敏三极管的结构）磁敏三极管的结构（2 2）磁敏三极管的工作原理磁敏三极管的工作原理 （3 3）磁敏三极管的主要特征磁敏三极管的主要特征 6.3 6.3 磁敏电阻磁敏电阻 目录目录第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 本章主要内容本章主要内容熟悉霍尔效应，掌握霍尔式传感器的工作原理和基本熟悉霍尔效应，掌握霍尔式传感器的工作原理和基本特性特性了解霍尔式传感器的不等电位补偿方法及其霍尔式传了解霍尔式传感器的不等电位补偿方法及其霍尔式传感器的一些应用感器的一些应用了解磁敏二极管和磁敏三极管的工作原理

3、及其主要特了解磁敏二极管和磁敏三极管的工作原理及其主要特性性了解磁敏电阻的工作原理了解磁敏电阻的工作原理第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 6.1.16.1.1霍尔效应霍尔效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。产生电动势的现象。+I+lwd霍耳效应原理图VH6.16.1霍尔式传感器霍尔式传感器第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 霍尔效应演示霍尔效应演示第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 6.1.2霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理 设设霍霍尔尔片片的的长长度度为为l l，宽宽度度为

4、为w w，厚厚度度为为d d。又又设设电电子子以以均均匀匀的的速速度度v v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B B的作用下，它受到洛仑兹力的作用下，它受到洛仑兹力q q电子电量电子电量(1.62(1.621010-19-19C)C)；v v电于运动速度。电于运动速度。同时，作用于电子的电场力同时，作用于电子的电场力 当达到动态平衡时第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：电流密度j=nqvnN型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体pP型半导体中的孔穴浓度V VH H K KH H I B

5、I B若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，霍耳电势应为：V VH H K KH H I B I B coscos 设设 K KH H=R RH H /d/d ，第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路R同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式：设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势VH的关系式：第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 6.1.3 霍尔元件基本

6、特性霍尔元件基本特性1）额定激励电流和最大允许激励电流2）输入电阻和输出电阻3）不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。4）寄生直流电势 5）霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1时,霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 6.1.4 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级,有时甚至超过霍尔电势,而实用中要消除不等位电势是极其困难的,因而必须采用补偿的方法。第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 6.1

7、.5 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用（1）霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点,它不仅用于磁感应强度#,有功功率及电能参数的测量,也在位移测量中得到广泛应用。第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 （2）霍尔式转速传感器）霍尔式转速传感器霍尔传感器可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。汽车转速测量汽车转速测量第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 （3）霍尔计数装置）霍尔计数装置第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器

8、（4）测转角）测转角第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器（4）位置检测）位置检测铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 6.2 6.2 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特倍）；能识别磁场的极性；体积小

9、、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。得到普遍应用。第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 6.2.1 6.2.1 磁敏二极管磁敏二极管（1 1）磁敏二极管的结构）磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。+（b）磁敏二极管的结构和电路符号磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构结构;(b)电路符号电路符号H+H-N+区p+区i区r区电流（a）第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 PNPNPNH=0H+H-电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图（

10、2 2）磁敏二极管的工作原理）磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的当磁敏二极管的P P区接电源正极，区接电源正极，N N区接电源负极即外区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，iii电子孔穴复合区结论：随着磁场大小和方向结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输磁场作用下，可获得较大输出电压。若出电压。若r r区和区和r r区之外的区之外的复合能力之差越大，那么磁复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。敏二极管的灵敏度就越高。

11、第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 (3)磁敏二极管的主要特征1）伏安特性-0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U/V-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4（b）531I/mA481216U/V-0.100.10.40.30.2-0.3（c）磁敏二极管伏安特性曲线磁敏二极管伏安特性曲线（a）锗磁敏二极管（）锗磁敏二极管（b）、（）、（c）硅二极管）硅二极管-0.1T-0.15T-0.2T000第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 2）磁电特性）磁电特性 在在给给定定条条件件下下，磁磁敏敏二

12、二极极管管的的输输出出电电压压变变化化量量与与外外加加磁磁场场间间的的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。磁敏二极管的磁电特性曲线磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时（）单个使用时（b）互补使用时）互补使用时B/0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.03kREE=12V（18V）Td=20（a）（b）U/VU/V第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 3 3）温度特

13、性）温度特性 温温度度特特性性是是指指在在标标准准测测试试条条件件下下，输输出出电电压压变变化化量量 （或或无无磁磁场场作作用用时时中中点点电电压压 ）随随温温度度变变化化的的规规律律，如如图图所示。所示。U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I磁敏二极管温度特性曲线磁敏二极管温度特性曲线(单个使用时单个使用时)U第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 4）频率特性）频率特性 硅硅磁磁敏敏二二极极管管的的响响应应时时间间，几几乎乎等等于于注注入入载载流流子子漂漂移移过过程程中中被被复复合合并并达达到到动动态态平平衡

14、衡的的时时间间。所所以以，频频率率响响应应时时间间与与载载流流子子的的有有效效寿寿命命相相当当。硅硅管管的的响响应应时时间间小小于于1 ，即即响响应应频频率率高高达达1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。dB0.1-12-9-6-301010.01 锗磁敏三极管频率特性锗磁敏三极管频率特性f/kHz第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 5 5）磁灵敏度）磁灵敏度 磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：（a a）在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（huhu

15、），即：），即：(b)(b)在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（hihi），即：），即：(c)在给定电压源在给定电压源E和负载电阻和负载电阻R的条件下，电压相对磁灵敏的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：度和电流相对磁灵敏度定义如下：第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 6.2.2磁敏三极管的结构与原理 （1）磁磁敏敏三三极极管管的的结结构构 NPN型型磁磁敏敏三三极极管管是是在在弱弱P型型近近本本征征半半导导体体上上，用用合合金金法法或或扩扩散散法法形形成成三三个个结结即即发发射射结结、基基极极结结、集集电电结

16、结所所形形成成的的半半导导体体元元件件,如如图图。在在长长基基区区的的侧侧面面制制成成一一个个复复合合速速率率很很高高的的高高复复合合区区r。长长基基区区分分为为输输运运基基区区和和复复合合基基区区两部。两部。NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构b)符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）i第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 （2 2）磁敏三极管的工作原理）磁敏三极管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；运输基

17、区；2-复合基区复合基区12第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 /b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mAB-=0.1TIb=3mAB=0Ib=3mAB+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA磁敏三极管伏安特性曲线磁敏三极管伏安特性曲线(3)(3)磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性 （1 1）伏安特性）伏安特性 下下图图给给出出了了磁磁敏敏三三极极管管在在基基极极恒恒流流条条件件下下（I Ib b=3mA=3mA）、磁磁场场为为0.1T0

18、.1T时的集电极电流的变化时的集电极电流的变化第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 （2）磁磁电电特特性性 磁磁电电特特性性是是磁磁敏敏三三极极管管最最重重要要的的工工作作特特性性。3BCM（NPN型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如下图所示。型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如下图所示。B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-33BCM磁敏三极管电磁特性磁敏三极管电磁特性结论：在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 (3)(3)温度特性温度特性 磁磁敏敏三三极极管管对对温温度度也也是是敏敏感感的的。3ACM3ACM、3

19、BCM3BCM磁磁敏敏三三极极管管的的温温度度系系数数为为0.80.8；3CCM3CCM磁磁敏敏三三极极管管的的温温度度系系数数为为-0-0.6.6。3BCM磁敏三极管的温度特性磁敏三极管的温度特性(a)基极电源恒压基极电源恒压 (b)基极恒流基极恒流(a)-20020401.20.80.41.660B=0B=0.1TB=0.1TT/基极电源恒压Vb=5.7VIC/mA基极恒流Ib=2mAB=01.20.80.4-20020401.680B=0.1TB=0.1TT/(b)IC/mA第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 （5 5）磁磁灵灵敏敏度度 磁磁敏敏三三极极管管的的磁磁灵灵敏敏度度

20、有有正正向向灵灵敏敏度度 和负向灵敏度和负向灵敏度 两种。其定义如下：两种。其定义如下：式中式中 受正向磁场受正向磁场B B+作用时的集电极电流；作用时的集电极电流；受反向磁场受反向磁场B B-作用时的集电极电流；作用时的集电极电流；不不受受磁磁场场作作用用时时，在在给给定定基基流流情情况况下下的集电极输出电流。的集电极输出电流。（4 4）频率特性）频率特性 3BCM3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为应特性为10kHz10kHz。第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 6.3 6.3 磁敏电阻磁敏电阻 是是一一种种电电阻阻随随磁磁场场变变化化

21、而而变变化化的的磁磁敏敏元元件件，也也称称MRMR元件。它的理论基础为磁阻效应。元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）（一）磁阻效应磁阻效应 若若给给通通以以电电流流的的金金属属或或半半导导体体材材料料的的薄薄片片加加以以与与电电流流垂垂直直或或平平行行的的外外磁磁场场，则则其其电电阻阻值值就就增增加加。称称此此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。第第6 6章章 固态磁敏传感器固态磁敏传感器 若某种金属或半导体材料的两种载流子若某种金属或半导体材料的两种载流子 (电子和空穴电子和空穴 )的迁移的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化 ,它可表示为：它可表示为：为磁感应强度；为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；材料在磁感应强度为时的电阻率；0 0 材料在磁感应强度为材料在磁感应强度为0 0时的电阻率；时的电阻率；载流子的迁移率。载流子的迁移率。LWBB几何磁阻效应几何磁阻效应II（a)（b)